Development of photoswitchable PEG for light-controlled drug delivery systems

The study and development of new drug delivery systems has seen a growing interest over the years, and lately the focus has been on nanocarriers, due to their capability to encapsulate and deliver drug that are poorly soluble, while at the same time minimizing unwanted side effects. These carriers can be also functionalized in order to increase their capability to deliver drugs correctly and in a more efficient way. Photochromic materials are interesting molecules for the functionalization of nanocarriers, especially polymeric carries like micelles, since they respond to light, an external stimulus which couples low invasiveness and high spatio-temporal control. Photochromic materials, in fact, isomerize upon illumination, at a specific wavelength, and this induces a change in the properties of the entire system. Micelles and nanoparticles are used to encapsulate specific drugs and with given stimuli can be opened and closed, promoting the release of the cargo. In this project two photoswitchable polymeric systems are designed and synthesized; the system is constituted of a biotinylated polymer, specifically polyethylene glycol, where the biotin promotes self-assembly to a streptavidine unit of a bigger polymeric structure, which then aggregates into nanoparticles. Since the interaction between light and photochrome provides a geometry change, we can use this stimulus to impart a mechanical stress in the nanoparticle and open it to release the cargo, the system can then revert back to its initial state through illumination with a different wavelength or thermally. Two different photochromic classes, with completely different properties, have been investigated in this thesis project, namely azobenzenes and Donor Acceptor Stenhouse Adducts (DASAs). The kinetics of the process, wavelength of irradiation and previous application in the biological field of these classes were the main discerning factors for the design.

La ricerca di nuovi metodi di somministrazione di farmaci è un campo di ricerca in continua crescita: nello specifico, i nano vettori sono particolarmente interessanti in questo campo per la loro capacità di contenere e trasportare farmaci, che generalmente sono poco solubili, riducendo anche quelli che sono gli effetti collaterali indesiderati dei metodi classici di somministrazione di farmaci. Questi vettori possono essere anche funzionalizzati con agenti targhettizzanti o molecole “intelligenti” con il fine di andare ad aumentare la loro selettività e la loro capacità di veicolare i farmaci con maggiore efficienza. I materiali fotocromici sono molecole molto interessanti come funzionalità nel campo della somministrazione di farmaci: infatti, grazie alla loro capacità di interagire con la luce, possono essere utilizzati in molti sistemi di delivery, specialmente in quelli a base polimerica come le micelle o le nanoparticelle polimeriche. I fotocromici sono in grado, in seguito all’illuminazione con luce di energia appropriata, di convertire in un altro isomero che induce a sua volta il cambiamento di alcune proprietà chimico-fisiche dell’intero sistema. Le nanoparticelle vengono spesso utilizzate come carrier nella somministrazione di medicinali specifici visto che, grazie a specifici stimoli, possono essere aperte e chiuse con il conseguente rilascio del farmaco contenuto all’interno. In questo progetto di tesi si sono disegnati e sintetizzati due nuovi sistemi di drug delivery entrambi costituiti da un polimero biotilinato, precisamente PEG, dove la biotina serve a garantire la formazione spontanea di un legame con la streptavidina di un sistema polimerico, e da un materiale fotocromatico che funzionalizza l’intero sistema. Questo, infatti, può indurre uno stress meccanico quando isomerizza e garantire l’apertura della nanoparticella, il ritorno allo stato iniziale è dovuto al processo inverso di fotoisomerizzazione che può avvenire sia per assorbimento luminoso ad una diversa lunghezza d’onda sia per processo termico su cui ci siamo concentrati nello studio proposto; più veloce sarà il processo termico più veloce sarà la chiusura della micella con il conseguente arresto del rilascio del medicinale. In questo progetto di tesi due diverse classi di materiali fotocromici, con caratteristiche differenti, sono state utilizzati: gli azobenzeni e i donor-acceptor Stenhouse Adducts. Le cinetiche del fenomeno, la lunghezza d’onda necessaria per irradiare e la conoscenza di queste classi sono stati i principali fattori che hanno guidato la scelta di queste classi.